DE3607518C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei dem bekannten Kompressor, von dem die Erfindung ausgeht (US-PS 42 90 345), ist mittig im Zylinderkopf ein axial gerichteter Ausstoßdurchlaß angeordnet. Da der Ausstoßdurchlaß gleiche Abstände zu jeder der Ausstoßöffnungen aufweist, sind die Strömungswege zwischen den Ausstoßöffnungen und dem Ausstoßdurchlaß gleich lang. Die durch das periodische Öffnen und Schließen der Ausstoßöffnun­ gen erzeugten Druckschwankungen sind durch ihre gegenseitigen Überlagerungen am Ausstoßdurchlaß weitgehend vergleichmäßigt bzw. kompensiert.

Ideal wäre nun eine vergleichbare Situation im Niederdruckbereich, d. h. der Ansaugdurchlaß müßte gleiche Abstände zu jeder der Ansaugöffnungen aufweisen. Damit wäre gewährleistet, daß die durch das periodische Öffnen und Schließen der Ansaugöffnungen erzeugten Druckschwankungen aufgrund gegenseitiger Über­ lagerungen am Ansaugdurchlaß weitgehend vergleichmäßigt wären. Dazu müßte je­ doch der Ansaugdurchlaß mittig im Zylinderkopf ausgebildet sein. Da jedoch den Druckschwankungen im Hochdruckbereich aufgrund ihres größeren Betrages größere Bedeutung zukommt, ist die mittige Anordnung am Zylinderkopf bei dem bekannten Kompressor dem Ausstoßdurchlaß vorbehalten. Der Ansaugdurchlaß mußte dem weichen und ist hier im Umfangsrand des Zylinderkopfes radial zu der Niederdruckkammer gerichtet angeordnet. Die unterschiedlich langen Strömungswege zwischen Ansaug­ durchlaß und Ansaugöffnungen führen nun zu Phasendifferenzen in den durch das periodische Öffnen und Schließen der Ansaugöffnungen erzeugten Druckschwankun­ gen und wirken einer Vergleichmäßigung durch gegenseitige Überlagerungen der Druckschwankungen entgegen. Ohne besondere Maßnahmen würden also am Ansaugdurch­ laß erhebliche pulsierende Druckschwankungen auftreten.

Da die Strömungsrichtung des in den Zylinderkopf eingesaugten Gases mehrmals ge­ ändert wird, erfolgt hier eine gewisse Verringerung von Druckschwankungen des Ansaugdrucks. Dabei kommt der Anordnung des Ansaugdurchlasses im Umfangsrand des Zylinderkopfes radial zu der Niederdruckkammer wesentliche Bedeutung zu. Durch diese Positionierung des Ansaugdurchlasses besteht nämlich zunächst keinerlei Überlappung des Ansaugdurchlasses mit den Ansaugöffnungen. Das angesaugte Gas erfährt sowohl scharfe radiale als auch scharfe axiale Umlenkungen, was einen relativ hohen Strömungswiderstand nahe dem Ansaugdurchlaß, also für das von allen Ansaugöffnungen angesaugte Gas gemeinsam mit sich bringt. Die durch un­ terschiedliche Strömungswege zwischen dem Ansaugdurchlaß und den Ansaugöffnun­ gen entstehenden pulsierenden Druckschwankungen erfahren dabei mit Wirkung nach außen eine Vergleichmäßigung.

Die radial gerichtete Anordnung des Ansaugdurchlasses hat zur Folge, daß einer­ seits die durch den Zylinderblock vorgegebenen radialen Abmessungen des Kompres­ sors um das Maß des radial in den Ansaugdurchlaß des Zylinderkopfes führenden Anschlußteils vergrößert sind und andererseits zusätzlich zu den im Zylinder­ kopf ausschließlich axial verlaufenden Bohrungen eine weitere radial verlaufende Bohrung notwendig ist.

Bei dem zuvor erläuterten, bekannten Kompressor (US-PS 42 90 345) weist der Um­ fangsrand relativ scharf konturierte konkave und konvexe Bereiche auf. Eine Scheidewand im Inneren des Zylinderkopfes hat eine entsprechend angepaßte Außen­ linie. Demgegenüber hat ein weiterer bekannter Kompressor (DE-OS 28 20 424) im Zylinderkopf einen im wesentlichen glatten, kreisringförmigen Umfangsrand und eine entsprechende, kreisringförmige Scheidewand. Letztere Konstruktion ist na­ türlich wegen der laminaren Strömung im Inneren sehr zweckmäßig, allerdings bei entsprechend positionierten Befestigungsschrauben kaum einsetzbar.

Aus Stand der Technik mit älterem Zeitrang, der aber nachveröffentlicht ist (DE-OS 36 05 935 und DE-OS 36 05 936), ist es bekannt, die Niederdruckkammer im Inneren des Zylinderkopfes in zwei Niederdruck-Teilkammern zu unterteilen, und zwar mittels einer Trennplatte. Die beiden Niederdruck-Teilkammern stehen über eine Ansaugverbindungsöffnung in der Trennplatte miteinander in Verbindung. Diese Aufteilung verhindert eine Strömung des angesaugten Gases von dem Ansaugdurchlaß direkt zu den Ansaugöffnungen, das Gas wird vielmehr zunächst durch die Ansaugver­ bindungsöffnung umgeleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten, eingangs erläuterten Kompressor so auszugestalten und weiterzubilden, daß die radialen Abmessungen so gering wie möglich sind, ohne den konstruktiven Aufwand zu vergrößern und insbesondere ohne pulsierende Druckschwankungen am Ansaugdurchlaß zu verstärken.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Kompressor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.

Weiter bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Die Anordnung des Ansaugdurchlasses in axialer Richtung am Zylinderkopf bringt den Vorteil, daß die radialen Abmessungen des Kompressors ausschließlich durch die radialen Abmessungen des Zylinderblocks bestimmt sind. Außerdem sind nun ausschließlich radiale Bohrungen im Zylinderkopf vorgesehen, so daß auch eine fertigungstechnische Verbesserung erreicht ist. Die strömungstechnischen Ver­ hältnisse bezüglich pulsierender Druckschwankungen am Ansaugdurchlaß werden gleichwohl nicht verschlechtert, wozu die Dimensionierung des Strömungskanals im Zylinderkopf und die Dimensionierung des Ansaugdurchlasses bzw. der Ansaug­ öffnungen in bestimmter Weise gewählt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Zylinderkopf eines Kompressors der in Rede stehenden Art im Schnitt, und zwar im Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 den Bereich des Zylinderblocks mit aufgesetztem Zylinderkopf eines Kompressors im Schnitt, und zwar im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 in Stirnansicht den Zylinderkopf eines erfindungsgemäßen Kompressors,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 2 und

Fig. 5 einen Dichtungsbereich zwischen dem Zylinderkopf und einer Ventilplatte eines erfindungsgemäßen Kompressors in einer ver­ größerten Schnittdarstellung.

Bei dem in den Fig. 1 bis 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich beispielhaft um einen bekannten Wobblekom­ pressor bzw. Taumelscheibenkompressor. Hier sind beispielhaft in einem Zylinderblock 1 insgesamt fünf Zylinderbohrungen 2 parallel zueinander und in gleichen Abständen voneinander angeordnet und ein Kolbenkopf 3 a eines Kolbens 3 ist in jeweils eine Zylinderbohrung 2 gleitend verschiebbar ein­ gesetzt. Der Kolbenkopf 3 a ist mit einer Kolbenstange 3 b verbunden, die an ihrem anderen, in den Figuren nicht dargestellten Ende mit einer Taumelschei­ be verbunden ist oder an einer Taumelscheibe zur Anlage kommt. Die benachbar­ ten Kolben 3 in benachbarten Zylinderbohrungen 2 führen hin und her gehende Bewegungen mit vorgegebenen Phasendifferenzen aus.

Eine Ventilplatte 4 ist zwischen dem Zylinderblock 1 und einem später noch zu beschreibenden Zylinderkopf 5 sandwichartig eingeklemmt, und zwar unter Zuhilfenahme von Dichtungen 6 a und 6 b, und ist gemeinsam mit dem Zylinder­ kopf 5 an einem Ende des Zylinderblocks 1 mit Hilfe von Befestigungsschrau­ ben 7 befestigt. Ein Ende jeder Zylinderbohrung 2 ist so geschlossen und durch die Innenflächen der Zylinderbohrung 2, einen Kolbenkopf 3 a und eine Innenfläche der Ventilplatte 4 wird eine Kompressionskammer 8 gebildet. Die Ventilplatte 4 weist Ansaugöffnungen 9 und Ausstoßöffnungen 10 gegenüber jeder Zylinderbohrung 2 auf, d. h. im dargestellten und bevorzugten Aus­ führungsbeispiel gibt es fünf Ansaugöffnungen 9 und fünf Ausstoßöffnungen 10.

Die Ansaugöffnungen 9 werden von einem sternförmig ausgeführten Ansaugven­ til 11 verschlossen, das zwischen der Ventilplatte 4 und einer Dichtung 6 a sandwichartig eingeklemmt ist. Das Ansaugventil 11 ist öffenbar und im An­ saugtakt, wenn also der Kolben 3 zurückfährt und das Volumen der Kompressions­ kammer 8 vergrößert wird, öffnet sich die jeweilige Ansaugöffnung 9, um Gas in die Kompressionskammer 8 einzusaugen. Im Kompressions- und Ausstoßtakt, wenn also der Kolben 3 vorfährt, um das Volumen der Kompressionskammer 8 zu verringern, schließt die jeweilige Ansaugöffnung 9. Auch die Ausstoßöffnun­ gen 10 sind schließbar, und zwar von einem Auslaßventil 12, das gleichfalls sternartig ausgebildet ist. Auf der Rückseite des Auslaßventils 12 ist ein Ventilhalter 13 (Wegbegrenzer) angeordnet. Das Auslaßventil 12 ist mit dem Ventilhalter 13 gemeinsam über eine Befestigungsschraube 14 mittig am Zy­ linderblock 1 befestigt. Im Ansaugtakt schließt das Auslaßventil 12 die Ausstoßöffnungen 10 und im Kompressions- und Ausstoßtakt öffnet es die Ausstoßöffnungen 10.

Der Zylinderkopf 5 weist eine integral ausgeformte, ringförmige Scheide­ wand 15 auf, die zentrisch um die Befestigungsschraube 14 herum angeordnet ist. Das Innere des Zylinderkopfs 5, nämlich der Bereich, der von der Ven­ tilplatte 4 und dem Zylinderkopf 5 eingeschlossen ist, ist in eine Nieder­ druckkammer 16 am Umfang und eine Hochdruckkammer 17 in der Mitte aufgeteilt, und zwar mittels der Scheidewand 15. Die Niederdruckkammer 16 steht mit den Ansaugöffnungen 9 in der Ventilplatte 4 in Verbindung und steht außerdem mit einem Ansaugdurchlaß 18 am Zylinderkopf 5 in Verbindung. Dieser Ansaugdurch­ laß 18 ist so angeordnet, daß eine Überlappung mit den Ansaugöffnungen 9 in axialer Richtung in der Niederdruckkammer 16 vermieden wird. An der Innen­ seite der Scheidewand 15 im Zylinderkopf 5 ist eine Einsatzöffnung 20 mit einem Absatz 19 an einem Ende ausgebildet. Eine Trenneinrichtung bzw. Trenn­ platte 21 ist vorgesehen, die im dargestellten und bevorzugten Ausführungs­ beispiel annähernd die Form eines Zylinders mit einem Boden aufweist. Die Trennplatte 21 als Trenneinrichtung ist mit ihrer äußeren Umfangsfläche leicht in die Einsatzöffnung 20 eingedrückt und unterteilt die Hochdruckkam­ mer 17 in eine erste Hochdruck-Teilkammer 17 a und eine zweite Hochdruck-Teil­ kammer 17 b. Ein Umfangsrand am Boden der Trennplatte 21 kommt am Absatz 19 am Zylinderkopf 5 zur Anlage, während der umlaufende Stirnrand an der Dich­ tung 6 b zur Anlage kommt.

Wie Fig. 5 zeigt wirkt die Dichtung 6 b als Hauptdichtung dieses Bereichs, da die Dichtungsrate zwischen Ventilplatte 4 und Scheidewand 15 hoch, zwischen Ventilplatte 4 und Trennplatte 21 gering ist, so daß dieser Bereich eine so­ genannte Minusdichtung bildet. Diese Anordnung ist getroffen, um die Abdich­ tung zwischen der Niederdruckkammer 16 und der ersten Hochdruck-Teilkammer 17 a zu verbessern durch Erhöhung des Druckkontakts der Ventilplatte 4 mit der vorderen Stirnfläche der Scheidewand 15. Eine solche Minusdichtung kann ein­ gesetzt werden, da die Abdichtung zwischen der ersten Hochdruck-Teilkammer 17 a und der zweiten Hochdruck-Teilkammer 17 b durch einen leichten Preßsitz der Trennplatte 21 im Zylinderkopf 5 gewährleistet ist.

Die erste Hochdruck-Teilkammer 17 a ist so ausgebildet, daß sie das Auslaß­ ventil 12 umgibt und mit allen Ausstoßöffnungen 10 in Verbindung steht. Die zweite Hochdruck-Teilkammer 17 b steht mit einem Ausstoßdurchlaß 22 am Zy­ linderkopf 5 in Verbindung. Die erste Hochdruck-Teilkammer 17 a und die zweite Hochdruck-Teilkammer 17 b stehen über eine Verbindungsöffnung 23 im Boden der Trennplatte 21 miteinander in Verbindung.

Ein äußerer Umfangsrand 24 des Zylinderkopfs 5, der den äußeren Umfangsbe­ reich der Niederdruckkammer 16 bildet, weist eine Mehrzahl von konvexen Be­ reichen 24 a auf, die die Befestigungsschrauben 7 umgeben. Diese konvexen Be­ reiche 24 a gewährleisten die notwendige Stabilität des Zylinderkopfs 5, der von den Befestigungsschrauben 7 durchsetzt ist. Diese Bereiche 24 a ragen nach innen in die Niederdruckkammer 16 hinein, um ein Abragen von der äuße­ ren Umfangsfläche des Zylinderkopfs 5 zu vermeiden. Im übrigen ist der äuße­ re Umfangsrand 24 auch noch mit einer Mehrzahl von konkaven Bereichen 24 b versehen, die die Ansaugöffnungen 9 umgeben. Die konvexen Bereiche 24 a und die konkaven Bereiche 24 b sind jeweils abwechselnd angeordnet. Die konvexen Bereiche 24 a und die konkaven Bereiche 24 b sind durch Übergangsbereiche 24 c miteinander verbunden. Die Übergangsbereiche 24 c haben geschwungene Oberflächen derart, daß sich keine oder praktisch keine Strömungswiderstände für einen die Niederdruckkammer 16 durchströmenden Gasstrom ergeben. Im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ergibt sich der Krümmungs­ radius R der Übergangsbereiche 24 c zu etwa 10 mm oder mehr (vgl. Fig. 1).

Geht man davon aus, daß der Durchmesser des Ansaugdurchlasses 18 zu D ₁, der Durchmesser einer Ansaugöffnung 9 zu D ₂ und der kürzeste Abstand der Scheidewand 15 von dem Umfangsrand 24 zu L (an der Spitze des konvexen Bereichs 24 a) bestimmt ist, so ist im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel das Verhältnis D ₁ größer als L und L größer als D ₂ vor­ gegeben, in einer Formel D ₁<L<D ₂.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des zuvor erläuterten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Kompressors beschrieben. Dazu ist zunächst zu erläutern, daß in Fig. 4 breite weiße Pfeile die Strömung von angesaug­ tem Gas und schmale schwarze Pfeile die Strömung von ausgestoßenem Gas zei­ gen.

Wenn eine in den Figuren nicht dargestellte Antriebswelle gedreht wird, führt der Kolben 3 in der Zylinderbohrung 2 eine hin und her gehende Be­ wegung aus, wobei die Phasendifferenz im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 72° beträgt. Wenn ein Kolben 3 den Ansaugtakt beginnt, wird das Volu­ men der Kompressionskammer 8 vergrößert, so daß der Druck in der Kompressions­ kammer 8 verringert wird und das Ansaugventil 11 öffnet, so daß Gas in die Kompressionskammer 8 eingesaugt wird. In diesem Zeitpunkt tritt angesaug­ tes Gas in die Niederdruckkammer 16 vom Ansaugdurchlaß 18 her ein.

Würde bei der zuvor erläuterten Konstruktion eine Überlappung des Ansaug­ durchlasses 18 und eines oder mehrerer Ansaugöffnungen 9 in axialer Rich­ tung existieren, so würde der Gasstrom in diesem Überlappungsbereich eine höhere Geschwindigkeit als in den anderen Bereichen aufweisen und dadurch würden Druckschwankungen begünstigt. Im hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel jedoch ist der Ansaugdurchlaß 18 so angeordnet, daß sich derartige Überlappungen vermeiden lassen. Dadurch können auch diese Druckschwankungen vermieden werden.

Der Gasstrom angesaugten Gases tritt durch den Ansaugdurchlaß 18 in die Nie­ derdruckkammer 16 ein, durchströmt die Niederdruckkammer 16 und tritt dann über die Ansaugöffnungen 9 in die Kompressionskammer 8 ein. Da im hier dar­ gestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel die Scheidewand 15 in der Niederdruckkammer 16 ringförmig ausgestaltet ist, insbesondere kreisring­ förmig, erfolgt die Strömung entlang der Scheidewand 15 laminar. Eine ent­ sprechend laminare Strömung wird aber auch am Umfangsrand 24 gewährleistet, da die konvexen Bereiche 24 a und konkaven Bereiche 24 b am Umfangsrand 24 über Übergangsbereiche 24 c fließend ineinander übergehen. Es ergeben sich kaum Strömungswiderstände oder Umlenkungen für den angesaugten Gasstrom. Dadurch ergibt sich insgesamt eine laminare Strömung des angesaugten Gases in der Niederdruckkammer 16 und Quellen für Druckschwankungen werden elimi­ niert.

Ein weiterer Effekt besteht darin, daß das angesaugte Gas im Ansaugdurchlaß 18 eingeschnürt und beim Eintritt in die Niederdruckkammer 16 wieder entspannt wird. Der Gasstrom wird ein weiteres Mal eingeschnürt zwischen der Scheide­ wand 15 und dem konvexen Bereich 24 a am Umfangsrand 24, der ein direktes Einsaugen in die Zylinderbohrungen 2 durch die dem Ansaugdurchlaß 18 be­ nachbarten Ansaugöffnungen 9 verhindert. Der Gasstrom wird beim Eintritt in den Bereich zwischen der Scheidewand 15 und den konkaven Bereichen 24 b des Umfangsrands 24 erneut entspannt und danach beim Durchströmen der An­ saugöffnung 9 wieder eingeschnürt, um in der Kompressionskammer 8 wieder entspannt zu werden. Auf die zuvor erläuterte Weise werden die beim An­ saugen erzeugten Druckschwankungen mit vorgegebenen Phasendifferenzen lang­ sam geringer durch die wiederholte Einschnürung und Entspannung des Gasstroms des angesaugten Gases und durch die Führung dieses Gasstroms in einem kurven­ förmigen Weg.

Im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Pulsie­ ren des Drucks des angesaugten Gases in besonders erheblichem Maße abge­ schwächt, da die Durchmesser zu D ₁<L<D ₂ gewählt sind.

Beginnt der Kompressions- und Ausstoßtakt für das Gas, so wird das Volumen der Kompressionskammer 8 verringert und der Druck in der Kompressionskammer 8 erhöht. Dadurch wird das Auslaßventil 12 geöffnet und das ausgestoßene Gas mit hohem Druck von der Ausstoßöffnung 10 in die erste Hochdruck-Teilkam­ mer 17 a ausgestoßen. In der ersten Hochdruck-Teilkammer 17 a wird das Gas vorübergehend gespeichert und dann durch die Verbindungsöffnung 23 und die zweite Hochdruck-Teilkammer 17 b sowie den Ausstoßdurchlaß 22 aus dem Kom­ pressor ausgestoßen.

Claims (3)

1. Kompressor mit einem Zylinderblock mit einer Mehrzahl von Zylinderbohrun­ gen und darin eingesetzten, hin und her gehende Bewegungen mit entsprechen­ den Phasendifferenzen ausführenden Kolben, einer Mehrzahl von zu den Zylinder­ bohrungen korrespondierend ausgebildeten Ansaugöffnungen und Ausstoßöffnungen und einem am Zylinderblock angeordneten Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf eine im Inneren ausgebildete Scheidewand und einen äußeren Umfangsrand auf­ weist, das Innere des Zylinderkopfes durch die Scheidewand in eine Hochdruck­ kammer in der Mitte des Zylinderkopfes und eine ein einheitliches, nicht auf­ geteiltes Volumen bildende Niederdruckkammer am Umfang des Zylinderkopfes un­ terteilt ist, am Zylinderkopf ein mit den Ansaugöffnungen nicht überlappender Ansaugdurchlaß ausgebildet ist und der Zylinderkopf mittels einer Mehrzahl von Befestigungsschrauben am Zylinderblock befestigt ist, wobei die Ansaugöffnun­ gen über die Niederdruckkammer mit dem Ansaugdurchlaß in Verbindung stehen, wobei der Umfangsrand eine Mehrzahl von konvexen, die Befestigungsschrauben umgebenden Bereichen und eine Mehrzahl von konkaven, die Ansaugöffnungen um­ gebenden Bereichen aufweist und wobei die konvexen und konkaven Bereiche an dem Umfangsrand durch Übergangsbereiche fließend ineinander übergehen, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ansaugdurchlaß (18) mit zu den Mittelachsen der Ansaugöffnung (9) paralleler Mittelachse am Zylinderkopf angeordnet ist und daß der Durchmesser (D ₁) des Ansaugdurchlasses (18) größer ist als der kürzeste Abstand (L) zwischen der Scheidewand (15) und dem äuße­ ren Umfangsrand (24) und dieser kürzeste Abstand (L) größer ist als der Durch­ messer (D ₂) der Ansaugöffnungen (9).

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand (15) kreisringförmig ausgebildet ist.

3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ gangsbereiche (24 c) einen Krümmungsradius R von mindestens 10 mm aufweisen.